騰暉礦堅硬頂板切頂充填留巷圍巖變形研究

楊鵬

（霍州煤電集團 騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

0 引 言

我國煤炭資源在一次能源結(jié)構(gòu)中的占比超過6成，同時存在堅硬頂板的煤層占據(jù)較大比例。堅硬頂板的存在使得礦井開采過程中極易形成懸頂，威脅著礦井的正常生產(chǎn)，而留煤柱開采的礦井需要加大煤柱寬度，來保證礦井的安全開采，煤炭資源浪費嚴重，所以解決礦井頂板堅硬問題是保證礦井安全生產(chǎn)的重要任務(wù)[1]。本文對堅硬頂板沿空留巷充填體的變形進行研究，以期為礦井安全生產(chǎn)提供一定的參考。

1 概 況

1.1 礦井概況

騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，設(shè)計年生產(chǎn)能力120 萬t。井田結(jié)構(gòu)相對簡單，為單斜延伸構(gòu)造，井田地層傾角平均值在5°左右，2202 工作面現(xiàn)主要開采太原組2 號煤層，煤層厚度3.2～6.0 m，煤層的平均厚度為5.6 m。

1.2 切頂充填留巷理論分析

沿空留巷頂板活動主要分為3 個階段，其中過渡期階段內(nèi)頂板活動最為劇烈，巷道內(nèi)部圍巖變形幅度明顯。對過渡階段內(nèi)巷道覆巖斷裂變形情況進行分析，根據(jù)斷裂線位置的不同可將其分為3 種，實體煤側(cè)、巷道上方、采空區(qū)側(cè)。基本頂斷裂位置位于實體煤柱側(cè)，此時工作面沒有得到有效支護，充填體無法支撐基本頂?shù)南鲁粒藭r充填體變形最大；斷裂位置位于巷道上方，此時覆巖發(fā)生較大的離層，充填體的變形基于其他2 種斷裂形式之間；斷裂位置位于采空區(qū)側(cè)，是由于充填體支護強度較大，支護較為及時，覆巖不發(fā)生較大的變形，基本頂沿采空區(qū)進行有順序斷裂。可以得出，在進行沿空留巷充填時，將基本頂斷裂位置控制在采空區(qū)側(cè)對留巷最為有利，所以對基本頂斷裂在采空區(qū)側(cè)進行模擬研究[2]。

1.3 數(shù)值模型的建立

結(jié)合騰暉礦2202 工作面地質(zhì)條件，對切頂卸壓沿空留巷進行數(shù)值模擬。選定UDEC 數(shù)值模擬軟件進行模擬計算，根據(jù)實際地質(zhì)情況模型，模型的尺寸為100 m×53 m，斷面尺寸設(shè)定為4.5 m×3 m，充填體的高度設(shè)定為與煤層開采高度相同3 m，對模型進行物理參數(shù)設(shè)定，完成模型物理參數(shù)設(shè)定后，設(shè)定應(yīng)力條件，在模型的上端施加垂直的均布載荷，根據(jù)計算覆巖高度及容重，得出均布載荷數(shù)值為5.5 MPa，模型選定庫倫-摩爾模型，限制模型上下左右的位移，設(shè)定為固定約束。完成模型的初步設(shè)定后，對模型進行模擬計算[3]。

2 模擬分析

研究2202 工作面切頂卸壓的可行性，模擬未進行切頂卸壓與切頂卸壓后的沿空留巷情況，切頂卸壓的切頂角度設(shè)定為35°。切頂卸壓前后垂直應(yīng)力分布如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓前后圍巖應(yīng)力分布云圖Fig.1 Stress distribution nephogram of surrounding rock before and after roof cutting pressure relief

從圖1 中可以看出，當未進行切頂卸壓時，此時頂板未發(fā)生充分垮落，形成較大面積的頂板，使得充填體最大的垂直應(yīng)力為15 MPa，當對頂板進行切頂卸壓后，巷道頂板充分垮落，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減小，巷幫充填體的垂直應(yīng)力峰值為9 MPa。可以看出經(jīng)過切頂卸壓后，充填體的垂直應(yīng)力峰值有了明顯下降，下降6 MPa，這是由于巷道頂板的應(yīng)力在經(jīng)過切頂卸壓后顯著降低，采空區(qū)完成垮落后，垮落的矸石充分填充采空區(qū)，使得采空區(qū)進一步被支護，限制了頂板下沉，同時使得充填體的支撐壓力得到較大幅度的降低。

研究切頂角度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響，當切頂角度較小時，切頂需要的能量較大，頂板發(fā)生垮落的難度增加，當切頂角度較大時，選定角度增加，頂板的下沉較難控制，本文對切頂角度15°、20°、25°、30°、35°、40°等6 個角度下的巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變進行分析[4]。巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變隨切頂卸壓角度變化趨勢如圖2 所示。

圖2（a） 可以看出，在充填體兩側(cè)由于受到應(yīng)力作用，出現(xiàn)一定程度的破壞，使得應(yīng)力傳遞至充填體中部。隨著切頂角度的增加，垂直應(yīng)力值大致呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，最小值為切頂卸壓角度為30°。按照切頂卸壓角度的增加，巷旁充填體內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值依次為13、11、10、8、9、11 MPa，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于在切頂卸壓角度30°以下時，隨著切頂卸壓角度的增大，采空區(qū)充實效果最佳，而在切頂卸壓角度30°以上時，由于切頂角度較大，使得懸頂較長，覆巖壓力增大，巷旁充填體的應(yīng)力也有所增大。從圖2（b） 可以看出，當切頂卸壓角度小于30°時，隨著切頂卸壓角度的增大，充填體變形量逐步減小，巷道的底鼓量及頂板下沉量也相對減小；當切頂角度大于30°時，由于充填體內(nèi)部應(yīng)力較大的原因，使得巷道圍巖變形量有所增大；當切頂角度為30°時，頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值，分別為202、272、254、228 mm。可以看出，當切頂卸壓角度 為30°時，切頂卸壓效果最佳[5]。

圖2 不同切頂角度下充填體應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.2 Stress and strain of filling body under different cutting angle

合理的切頂卸壓高度能夠提升巷道穩(wěn)定性，因此此次選定切頂卸壓高度分別為6、8、10 和12 m進行研究，對比不同切頂卸壓高度下圍巖的穩(wěn)定性。巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變隨切頂卸壓高度變化情況如圖3 所示。

圖3 不同切頂高度下充填體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.3 Stress-strain diagram of filling body under different cutting heights

從圖3 可以看出，相同切頂卸壓高度下，隨著距充填體距離的增加，充填體垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于充填體兩側(cè)發(fā)生一定的破壞，使載荷壓力施加于充填體中部，造成中部應(yīng)力值偏大。同時對比不同切頂卸壓高度下充填體垂直應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)，隨著切頂卸壓高度的增大，充填體垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在切頂卸壓高度為10 m 時，巷旁充填體峰值的最小值為8 MPa。對比不同切頂高度下圍巖的變形情況，發(fā)現(xiàn)隨著切頂高度增大，巷道圍巖的變形情況呈現(xiàn)出先增大后平穩(wěn)的趨勢，切頂卸壓最佳高度為10 m，此時頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值，分別為206、276、252、226 mm。

3 結(jié) 論

（1） 通過對比切頂前后沿空留巷充填體垂直應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過切頂卸壓后充填體垂直應(yīng)力有了較大幅度降低。

（2） 通過對不同切頂角度下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析，發(fā)現(xiàn)當切頂角度為30°時，頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值。

（3） 通過對不同切頂高度下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析，發(fā)現(xiàn)當切頂高度為10 m 時，巷道穩(wěn)定性最佳。